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Introdução Em condições normais de uso, os produtosdevem sofrer esforços abaixo do limite de proporcionalidade, ou limite elástico,que corresponde à tensão máxima que o material pode suportar.

Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar esforços acimadesse limite, ensaiam os materiais, controlam o processo de produção e tomamtodos os cuidados para que o produto não apresente qualquer problema.

Apesar de todas essas precauções, é possível que, após algum tempo de usonormal, de repente, sem aviso prévio e sem motivo aparente, o produto simples-mente venha a falhar, deixando o usuário na mão.

Essa falha é típica de um fenômeno chamado fadiga, que é o assunto destaaula. Você ficará sabendo o que é fadiga, como se determina a resistênciaà fadiga, como são apresentados os resultados deste ensaio, que fatores influen-ciam a resistência dos metais à fadiga e o que pode ser feito para melhorar essaresistência.

Não se deixe vencer pela fadiga! Estude com atenção, e ao final da aula vocêterá adquirido uma visão geral de um tipo de ensaio de importância fundamen-tal nas indústrias.

Quando começa a fadiga

Você já sabe que toda máquina é constituída por um conjunto de componen-tes. No uso normal, nunca ocorre de todos os componentes falharem ao mesmotempo. Isso porque cada um tem características próprias, uma das quaisé o tempo de vida útil esperado.

O ensaio de resistência à fadiga é um meio de especificar limites de tensãoe de tempo de uso de uma peça ou elemento de máquina. É utilizado tambémpara definir aplicações de materiais.

É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita em condições normais deprodução. Molas, barras de torção, rodas de automóveis, pontas de eixo etc. sãoexemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio de fadiga.

Quando não é possível o ensaio no próprio produto, ou se deseja compararmateriais, o ensaio é feito em corpos de prova padronizados.

Ensaio de fadiga

Nossa aula

15A U L ALeia com atenção:

Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à cargamáxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas.

A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleação) ou pequenafalha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitaçõescíclicas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restantedo material não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se romperepentinamente.

A fratura por fadiga é típica: geralmente apresenta-se fibrosa na regiãoda propagação da trinca e cristalina na região da ruptura repentina.

Você pode observar aproximadamente o que acontece na fadiga, dobrandorepetidamente um pedaço de arame de aço. Após dobrar algumas vezes, se vocêobservar atentamente, notará algumas pequenas trincas. Se continuar dobrando,observará que a trinca aumenta de tamanho até ocorrer a ruptura do arame.

O estudo da fadiga é importante porque a grande maioria das falhas decomponentes de máquinas, em serviço, se deve à fadiga. E a ruptura por fadigaocorre sem nenhum aviso prévio, ou seja, num dado momento a máquina estáfuncionando perfeitamente e, no instante seguinte, ela falha.

Tensões cíclicas

Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforços cíclicosrepetidos. De maneira geral, peças sujeitas a fadiga estão submetidas a esforçosque se repetem com regularidade. Trata-se das tensões cíclicas.

A tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma função senoidal,onde os valores de tensão são representados no eixo das ordenadas e o númerode ciclos no eixo das abscissas. As tensões de tração são representadascomo positivas e as tensões de compressão como negativas. A figura a seguirapresenta três tipos de ciclos de tensão.

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A figura a mostra um gráfico de tensão reversa, assim chamado porqueas tensões de tração têm valor igual às tensões de compressão.

No gráfico b todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova estásempre submetido a uma tensão de tração, que oscila entre um valor máximoe um mínimo.

O gráfico c representa tensões positivas e negativas, como no primeiro caso,só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.

Dica

Um ciclo de tensão corresponde a um conjunto sucessivo de valoresde tensão, que se repete na mesma seqüência e no mesmo período de tempo.

Tipos de ensaio de fadiga

Os aparelhos de ensaio de fadiga são cons-tituídos por um sistema de aplicação de cargas,que permite alterar a intensidade e o sentido doesforço, e por um contador de número de ciclos.

O teste é interrompido assim que o corpode prova se rompe.

O ensaio é realizado de diversas maneiras,de acordo com o tipo de solicitação que se desejaaplicar:- torção;- tração-compressão;- flexão;- flexão rotativa.

15A U L AO ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras

ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa.

Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão,enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz comcontagiros, numa rotação determinada e constante.

Corpo de prova

O corpo de prova deve ser usinado e ter bom acabamento superficial,para não prejudicar os resultados do ensaio. A forma e as dimensões do corpode prova variam, e constituem especificações do fabricante do equipamentoutilizado. O ambiente onde é feito o ensaio também é padronizado.

As formas mais utilizadas de corpo de prova são apresentadas nas figurasa seguir.

Para uma mesma tensão, pode-se obter resultados de ensaio dispersos e quedevem ser tratados estatisticamente. Mas, em geral, o ensaio é realizado em cercade 10 corpos de prova, para cada um dos diversos níveis de tensão.

15A U L A Curva S-N

Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curvatensão-número de ciclos, ou simplesmente curva S-N. O S vem da palavrainglesa stress, que quer dizer �tensão�, e N representa o número de ciclos.

Supondo que, para uma certa solicitação de flexão S1 o corpo de provase rompa em um certo número de ciclos N1, e para uma solicitação S2 se rompaem N2 ciclos, e assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N, com atensão no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas.

Observando a curva obtida, nota-se que, à medida que se diminui a tensãoaplicada, o corpo de prova resiste a um maior número de ciclos. Nota-se,também, que diminuindo a tensão a partir de um certo nível � em que a curvase torna horizontal � o número de ciclos para o rompimento do corpo deprova torna-se praticamente infinito.

Esta tensão máxima, que praticamente não provoca mais a fratura porfadiga, chama-se limite de fadiga ou resistência à fadiga do metal considerado.

Mas, para a maioria dos materiais, especialmente os metais não ferrososcomo o alumínio, a curva obtida no diagrama S-N é decrescente. Portanto,é necessário definir um número de ciclos para obter a correspondente tensão, queserá chamada de resistência à fadiga.

Para o alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-se levar o ensaio a até50 milhões de ciclos e, em alguns casos, a até 500 milhões de ciclos, para nestenúmero definir a resistência à fadiga.

Fatores que influenciam a resistencia à fadiga

Uma superfície mal acabada contém irregularidades que, como se fossemum entalhe, aumentam a concentração de tensões, resultando em tensõesresiduais que tendem a diminuir a resistência à fadiga.

Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial decarbono nos aços, recozimento superficial, trincas etc.) também dimi-nuem a resistência à fadiga.

15A U L ATratamentos superficiais (cromeação, niquelação etc.) diminuem a resistên-

cia à fadiga, por introduzirem grandes mudanças nas tensões residuais, além deconferirem porosidade ao metal. Por outro lado, tratamentos superficiaisendurecedores podem aumentar a resistência à fadiga.

O limite de fadiga depende da composição, da estrutura granular,das condições de conformação mecânica, do tratamento térmico etc.

O tratamento térmico adequado aumenta não somente a resistência estática,como também o limite de fadiga.

O encruamento dos aços dúcteis aumenta o limite de fadiga.

O meio ambiente também influencia consideravelmente o limite de fadiga,pois a ação corrosiva de um meio químico acelera a velocidade de propagaçãoda trinca.

A forma é um fator crítico, porque a resistência à fadiga é grandementeafetada por descontinuidades nas peças, como cantos vivos, encontros deparedes, mudança brusca de seções.

A resistência à fadiga pode ser melhorada

Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões. Por exemplo,um rasgo de chaveta num eixo é um elemento que concentra tensão e, conse-qüentemente, diminui a resistência à fadiga.

Os projetos devem prever tensões contrárias favoráveis (opostas às tensõesprincipais aplicadas), por meio de processos mecânicos, térmicos ou similares.Uma compensação deste tipo é encontrada em amortecedores de vibraçõesde motores a explosão.

Defeitos metalúrgicos como inclusões, poros, pontos moles etc. devemser eliminados.

Deve-se selecionar os materiais metálicos de acordo com o ciclo de tensões:para aplicações com baixas tensões cíclicas, onde a deformação pode ser facil-mente controlada, deve-se dar preferência a ligas de alta ductilidade. Paraaplicações com elevadas tensões cíclicas, envolvendo deformações cíclicas pre-dominantemente elásticas, deve-se preferir ligas de maior resistência mecânica.

Microestruturas estáveis, isto é, que não sofrem alterações espontâneasao longo do tempo, apresentam maior resistência à fadiga.

De tudo que foi dito sobre fadiga nesta aula, você deve ter concluído que,no uso normal dos produtos, nós os submetemos permanentemente a ensaios defadiga, que só terminam quando o produto falha.

Porém, a indústria tem que se preocupar com a fadiga antes de lançaro produto no mercado, pois este ensaio fornece informações que afetam direta-mente a segurança do consumidor.

15A U L A Marque com um X a resposta correta.

Exercício 1A ruptura por fadiga ocorre quando o material está sujeito a:a) ( ) tensões superiores ao limite de proporcionalidade;b) ( ) tensões cíclicas repetitivas;c) ( ) tensões iguais ao limite de proporcionalidade;d) ( ) tensões estáticas.

Exercício 2No gráfico de tensão reversa:a) ( ) as tensões de tração são positivas e as tensões de compressão são

negativas;b) ( ) as tensões de tração são negativas e as tensões de compressão são

positivas;c) ( ) todas as tensões são positivas;d) ( ) todas as tensões são negativas.

Exercício 3São exemplos de fatores que diminuem a resistência à fadiga:a) ( ) tratamentos superficiais, descontinuidades na superfície;b) ( ) tratamento térmico, tratamentos superficiais endurecedores;c) ( ) meio ambiente isento de agentes corrosivos, bom acabamento

superficial;d) ( ) encruamento dos aços dúcteis, formas sem cantos vivos.

Exercício 4O ensaio de fadiga é baseado em esforços de:a) ( ) tração e torção;b) ( ) tração e compressão;c) ( ) flexão e torção;d) ( ) tração, compressão, torção e flexão.

Exercício 5Na curva S-N, o limite de fadiga indica que:a) ( ) se for atingida aquela tensão, o corpo se romperá;b) ( ) mantendo aquela tensão indefinidamente, o corpo não se romperá;c) ( ) foi atingido o número máximo de ciclos que o material suporta;d) ( ) a partir deste limite, a curva é decrescente.

Exercícios